Dispositifs de caractérisation électrique

Différents appareils ont été utilisés pour les caractérisations électriques. Les sources de courant Keithley 6220 (source continue) et 6221 (source continue et alternative) ont servi à injecter du courant dans les structures. Ensuite, deux méthodes de détection du signal ont été utilisées suivant les conditions de mesure (bruit, temps de mesure, ...) :

— Application d’un courant continu et mesure de la tension en utilisant des nanovol- mètres du type Keithley 2182a.

— Application d’un signal excitateur alternatif pour détecter le signal à l’aide d’un lock-in amplificateur (détection synchrone). Cette solution n’empêche pas d’appli- quer en simultané un courant continu.

Il apparaît d’ores et déjà que la deuxième solution offre un avantage non négligeable concernant l’augmentation du rapport signal sur bruit. Par contre, le courant alternatif excitateur ne doit pas être trop fort, particulièrement pour un système non-linéaire comme les jonctions tunnel ferromagnétiques car le signal est alors distribué sur des harmoniques supérieures.

3.5.3.1 Réduction du bruit

Les phénomènes mesurés dans ce manuscrit présentent des difficultés de mesure : l’amplitude des signaux est faible et souvent les résistances du système sont élevées, ce qui implique un niveau de bruit important. Un travail particulier a été mené afin de réduire le bruit, les éléments les plus importants sont notifiés ci-dessous :

• Un système coaxial classique utilise l’âme du câble comme porteur de l’information et le blindage comme protection généralement à la terre du réseau. Dans notre cas, la mise en protection du système passe non pas par la terre mais par un point froid. Ce dernier est flottant par rapport à la terre ce qui protège l’âme du coaxial d’éventuels bruits parasites provenant de la masse.

• La méthode d’acquisition a évoluée puisque pour les mesures en continue, les filtres propres à l’appareil ne nous permettent pas d’améliorer suffisamment le rapport si- gnal/bruit. Par contre, le temps d’intégration de la mesure (rate) joue un rôle important, il permet de moyenner les effets du réseau électrique à 50 Hz et 100Hz. Le meilleur compromis trouvé a été d’utiliser une vitesse de lecture avec un taux moyen de filtrage analogique mais surtout d’accumuler un grand nombre de lectures à champ magnétique fixe ce qui améliore le rapport signal/bruit d’un facteur√N, avec N le nombre de lectures. Les mesures en utilisant le lock-in ont mené aux mêmes conclusions. Cependant, dans ce dernier cas, les filtres permettent de diminuer le bruit de manière significative.

Ce travail a été nécessaire afin de pouvoir mesurer des signaux qui étaient attendus de l’ordre du µV voire du nV.

terminaux d’injection/détection élec-

trique de spin dans le silicium et ger-

manium

L’injection électrique de spin est fondamentalement compliquée dans les

semi-conducteurs. L’utilisation des dispositifs à 3 terminaux au lieu des vannes de spin latérales a été motivée par une simplification des procédés technologiques. Ils permettent d’appréhender rapidement la dynamique de spin et l’efficacité d’injection dans les semi-conducteurs. Cependant ils font l’objet actuellement d’une controverse forte dans la communauté scientifique puisque les signaux mesurés ne s’accordent pas avec la théorie du modèle diffusif. En particulier, ces signaux sont beaucoup plus forts que prédit, ce qui a remis en question leur origine physique.

L’objet de ce chapitre est de présenter nos travaux concernant l’injection électrique de spin dans le silicium et le germanium en utilisant les dispositifs à 3 terminaux. Nous apportons de nouveaux éléments pour répondre à la controverse sur ce type de mesures en démontrant que dans notre système les défauts localisés dans la barrière tunnel ne peuvent pas expliquer ni l’existence, ni l’amplification du signal de spin. En revanche, l’influence des états d’interface est très forte.

Sommaire

4.1 Les structures à 3 terminaux pour l’injection électrique de spin . . . 77 4.1.1 Caractérisation des substrats par effet Hall . . . 77 4.1.2 Magnétorésistance des substrats . . . 79 4.1.3 Les jonctions tunnel ferromagnétiques et les contacts ohmiques

sur silicium/germanium sur isolant fabriquées par pulvérisation cathodique . . . 83 4.2 Injection de spin et mesure de l’effet Hanle dans les substrats de

silicium et germanium . . . 86 4.2.1 Mesure de l’effet Hanle . . . 86

dans le silicium et germanium

4.2.2 Temps de vie de spin . . . 89 4.2.3 Amplitude du signal de spin . . . 91 4.2.4 Les mesures d’injection locale de spin (3T) et la controverse . . 93 4.3 Détermination du rôle des défauts localisés dans la barrière tunnel . 93 4.3.1 Contrôle de la présence de défauts localisés . . . 93 4.3.2 Effet Hanle et défauts dans la jonction tunnel . . . 95 4.4 Étude des états d’interface par des mesures de capacité-tension . . . 96 4.4.1 Le GeOI dopé n comme référence . . . 97 4.4.2 Évidence des états d’interface dans Si et Ge . . . 98 4.5 Limiter l’influence des états d’interface . . . 100 4.6 Conclusion sur l’injection de spin dans les semi-conducteurs à par-

4.1

Les structures à 3 terminaux pour l’injection élec-

trique de spin

C’est en 2006 que Lou et al. [101] ont adapté la méthode de détection par effet Hanle utilisée en optique à une injection électrique locale d’un courant polarisé en spin. Rapidement plusieurs groupes ont utilisé ce moyen simple et rapide pour caractériser différents matériaux.

Nous nous sommes intéressés particulièrement au silicium et au germanium sur isolant. Des études précédentes ont déjà démontré une injection de spin locale dans ces matériaux. Au-delà de mesurer à nouveau les paramètres liés au spin dans ces matériaux, l’objectif de cette étude est de s’appuyer sur une comparaison directe entre les substrats pour définir des situations modèles qui peuvent expliquer l’écart entre la théorie et l’expérience et répondre en partie à la controverse.